Lokalisiert oder nicht?

  • 16. May 2008
Lokalisiert oder nicht?

Fehlt einem zweiatomigen Molekül eines der kernnahen Elektronen, so gehört das „Loch“ manchmal beiden Atomen, manchmal nur einem.

Gehen zwei Atome eine chemische Bindung ein, so schließen sich ihre Valenzelektronen zu Paaren zusammen, die beiden Atomen gemeinsam gehören. Durch diese Delokalisierung verringern die äußeren Elektronen ihre Energie und sorgen so für den Zusammenhalt des Moleküls. Die inneren, kernnahen Elektronen bleiben hingegen auch in einem Molekül „ihrem“ Atom treu, d. h. in Kernnähe lokalisiert. Gilt diese Lokalisierung auch für ein Elektronenloch, das entsteht, wenn ein kernnahes Elektron von einem Photon aus dem Molekül herausgeschlagen wird? Das kommt auf die Art der Beobachtung an, wie jetzt ein internationales Forscherteam experimentell gezeigt hat.

Markus Schöffler von der Universität Frankfurt und seine Kollegen haben untersucht, wie photoionisierte Stickstoffmoleküle (N2) zerfallen. Dazu wurden die in ihren Schwingungsgrundzustand abgekühlten Moleküle mit Photonen bestrahlt, die aus einem der beiden Stickstoffatome ein kernnahes 1s-Elektron herausschlugen. Das entstehende Molekülion war sehr instabil. Schon nach etwa 7 fs stürzte in das vom Photoelektron hinterlassende Loch eines der äußeren Elektronen des Moleküls. Die dabei freiwerdende Energie wurde von einem zweiten äußeren Elektron aufgenommen, das dann als Auger-Elektron das Molekül verließ. Das doppelt ionisierte Molekül zerbrach daraufhin in zwei N+-Ionen.

Bei ihren Experimenten an der Advanced Light Source des Lawrence Berkeley National Laboratoriums haben die Forscher für jeden Zerfall eines Moleküls die Energie und Flugrichtung des Photoelektrons und der beiden N+-Ionen in Koinzidenz gemessen. So konnten sie, von der bekannten Photonenenergie ausgehend, auch die Energie und Flugrichtung des Auger-Elektrons ermitteln. Der Theorie zufolge sollte die Winkelverteilung (relativ zur Molekülachse) der Photoelektronen und der Auger-Elektronen asymmetrisch sein, wenn das Loch an einem der Stickstoffkerne lokalisiert war. Eine symmetrische Verteilung sollte sich ergeben, wenn das Loch in einem über beide Kerne delokalisierten Quantenzustand war. Zudem sollte sich unterscheiden lassen, ob der delokalisierte Zustand negative oder positive Parität hatte, d. h. ob sich sein Vorzeichen bei einer Raumspiegelung änderte oder nicht.

Als die Forscher die Winkelverteilung der Photoelektronen und der Auger-Elektronen über alle Zerfälle summiert aufgetragen hatten, ließ sich nicht entscheiden, ob die Löcher lokalisiert oder delokalisiert gewesen waren. Das lag daran, dass Messergebnisse für unterschiedliche Fälle in einen Topf geworfen worden waren. Wenn nicht unterschieden wurde, an welchem Kern das Loch lokalisiert war, mussten die beiden asymmetrischen Winkelverteilungen summiert werden, so dass man eine symmetrische Verteilung erhielt. Diese Verteilung konnte man nicht von der Winkelverteilung unterscheiden, die sich ergab, wenn das Loch delokalisiert war.

Doch die aufgenommen Daten ließen sich detaillierter auswerten. So konnte man z. B. für diejenigen Molekülzerfälle die Winkelverteilung der Photoelektronen auftragen, bei denen das Auger-Elektron in einem bestimmten Winkel zur Molekülachse weggeflogen war. Betrug dieser Winkel 90 Grad, so zeigte die Winkelverteilung, dass sich das Loch in einem delokalisierten Zustand mit gerader Parität befunden hatte. Flog das Auger-Elektron unter einem Winkel von etwa 72,5 Grad (oder 107,5 Grad) davon, so ergab die Winkelverteilung der Photoelektronen, dass der delokalisierte Zustand des Lochs ungerade Parität gehabt hatte. Für einen bestimmten Winkel zwischen 90 Grad und 72,5 Grad (107,5 Grad) war die Winkelverteilung der Photoelektronen stark asymmetrisch und ließ den eindeutigen Schluss zu, dass das Loch um den linken (rechten) Stickstoffkern lokalisiert gewesen war. Ähnliche Resultate erhielten die Forscher, wenn sie die Flugrichtung der Photoelektronen vorgaben und die dazugehörige Winkelverteilung der Auger-Elektronen analysieren.

Ob und wie das Loch lokalisiert war, hing also davon ab, in welcher Richtung die Auger-Elektronen oder die Photoelektronen emittiert und anschließend nachgewiesen worden waren, d. h. welche Art von Messung an dem Molekül stattgefunden hatte. Auger- und Photoelektronen bildeten Paare von verschränkten Teilchen, die je nach der beobachteten Flugrichtung auf einen bestimmten Quantenzustand projiziert wurden. Da das Loch das Bindeglied zwischen den beiden Elektronen war, wurde sein Quantenzustand dann ebenfalls je nach Art der Messung in einen lokalisierten oder delokalisierten Zustand projiziert.

Für das Gelingen des Experimentes war es wichtig, dass ein lokalisiertes Loch innerhalb der 7 fs bis zur Emission des Auger-Elektrons nicht von einem Stickstoffkern zum anderen quantenmechanisch tunneln und die Messung durcheinander bringen konnte. Die mittlere Tunnelzeit hing davon ab, wie groß der Energieunterschied zwischen den beiden delokalisierten Lochzuständen mit negativer und positiver Parität war. Diese Differenz betrug 100 meV, was einer Tunnelzeit von 20 fs entsprach. Bevor das Loch tunneln konnte, war es schon wieder aufgefüllt und ein Auger-Elektron emittiert worden. Ob das Loch lokalisiert gewesen war oder nicht, entschied sich in der anschließenden Messung.

Rainer Scharf

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